CN114491396A - 一种idma系统发送信号均值计算方法及系统 - Google Patents

一种idma系统发送信号均值计算方法及系统 Download PDF

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CN114491396A CN202210066075.4A CN202210066075A CN114491396A CN 114491396 A CN114491396 A CN 114491396A CN 202210066075 A CN202210066075 A CN 202210066075A CN 114491396 A CN114491396 A CN 114491396A
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陈畅霖
王婧琳
张化川
李云
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Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种IDMA系统发送信号均值计算方法及系统，所述方法包括根据信道译码并再次交织后信息的值计算发送信号均值，当信道译码并再次交织后信息的绝对值大于4时，发送信号均值为数值1；否则，将信号区间分段后采用定点多项式计算发送信号均值；当信道译码并再次交织后信息的值小于零时，最终发送信号均值为上述计算发送信号均值的负数；否则，最终发送信号均值为上述计算发送信号均值；本发明不仅可以避免定点乘法过程越界问题，而且确保了算法比特精度。

Description

一种IDMA系统发送信号均值计算方法及系统
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种IDMA系统发送信号均值计算方法及系统。
背景技术
交织多址接入(Interleave Division Multiple Access，简称IDMA)技术作为一种典型的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简称NOMA)方式，可以显著提高移动通信系统吞吐量。IDMA技术相对于传统码分多址系统(Code Division MultipleAccess，简称CDMA)可以很好的克服了多址接入干扰(Multiple Access Interference，简称MAI)。
IDMA为不同用户分配不同交织器，以共享相同的时/频/空域资源。传统IDMA发送和接收系统，如图1所示。作为用户特征的交织器通常由随机交织器产生。发送端由若干信道编码、扩频模块，以及针对每个用户的不同的交织器组成。用户k的信息比特dk首先通过低速率编码器生成ck，ck与各用户所特有的交织器进行交织，将最后产生的不同用户信息xk经过多址信道发送至无线信道。
接收端则采用码片级的迭代检测技术，该检测结构主要由基本信号估计器(Elementary Signal Estimator，简称ESE)和K个单用户后验概率(A PosterioriProbability，简称APP)的译码器(Decoder，简称DEC)组成，ESE和信道译码的输出信息是关于{xk(j)}的对数似然比。基本信号估计器ESE完成多用户联合检测，即利用其它用户信道译码返回的外部对数似然比(extrinsic Log-Likelihood Ratios，简称LLR)先验概率似然比信息，来估计目标用户信号的对数似然比信息。
结合图1，在单径无线信道情况下，接收信号表示为：
Figure BDA0003480354200000021
j＝1,2,...,J；
其中，hk为用户k的信道冲激响应，可以通过信道估计获得；xk(j)，k＝1,2,...,K为用户k的发送信号，J为用户发送信号长度，K为总用户数；n(j)表示方差为σ2＝N0/2的加性高斯白噪声。
用户k的发送信号数学期望E(xk(j))，表示为：
Figure BDA0003480354200000022
其中，
Figure BDA0003480354200000023
为信道译码并再次交织后的信息，即ESE模块的输入。
由于发送信号正负极化后的平方相等，因此发送信号xk(j)方差为：
Var(xk(j))＝1-(E(xk(j)))2；
根据接收信号的公式，可得接收信号r(j)均值和方差：
Figure BDA0003480354200000024
Figure BDA0003480354200000025
ESE模块中，第k个用户
Figure BDA0003480354200000026
的后验LLR表示为：
Figure BDA0003480354200000027
码片级ESE多用户检测过程，首先需要利用信道译码并再次交织后的信息
Figure BDA0003480354200000028
计算发送信号的均值E(xk(j))和方差Var(xk(j))，利用接收信号估计当前无线信道冲激响应hk，结合发送信号均值和方差更新接收信号均值E(r(j))和方差Var(r(j))，最后利用无线信道冲激响应、发送信号和接收信号的均值和方差计算第k个用户
Figure BDA0003480354200000029
的后验LLR并将其作为发送信号的估计值eESE(xk(j))。上述过程反复迭代，直到完成预定的迭代次数或满足接收端性能指标。
从用户k的发送信号数学期望E(xk(j))计算需要用到双曲正切函数tanh(·)，如何采用定点算法准确计算该值，以便于数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)/现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)实现，具有十分重要的现实意义。
发明内容
为了便于DSP/FPGA实现，本发明提出一种IDMA系统发送信号均值计算方法及系统，所述方法根据信道译码并再次交织后信息
Figure BDA0003480354200000031
的值分别计算发送信号均值，包括：
当
Figure BDA0003480354200000032
时，发送信号均值恒为数值1，即
Figure BDA0003480354200000033
其中，|·|表示取绝对值。
当
Figure BDA0003480354200000034
取值范围内时，对信号进行分段，分别计算每段发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000035
其中，s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数。
进一步的，当比特精度为M时，
Figure BDA0003480354200000036
取值范围的发送信号均值为每个子段乘法结果之和的向下取整，每个子段的乘法结果为当前子段左右数据除以当前子段最大值后进行顶点指数运算并保留M比特位的值，与当前子段最大值进行指数运算并与当前子段相应系数进行乘法得到的值的乘积，即：
Figure BDA0003480354200000037
其中，(·)s,max表示在s子段内函数最大值，
Figure BDA0003480354200000039
表示向下取整。当
Figure BDA0003480354200000038
时，发送信号均值表示为：
Figure BDA0003480354200000041
本发明还提出一种IDMA系统发送信号均值计算系统，其特征在于，所述系统包括第一判断器、双曲正切函数计算器、第二判断器以及分段计算器，其中第一判断器根据信道译码并再次交织后信息
Figure BDA0003480354200000042
的值判断如何计算发送信号均值，若
Figure BDA0003480354200000043
则利用双曲正切函数计算器计算发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000044
若
Figure BDA0003480354200000045
发送信号均值恒为数值1，即E(xk(j))＝1；若
Figure BDA0003480354200000046
则采用分段计算器计算发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000047
其中，s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数。
本发明提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以前述的任意一种IDMA系统发送信号均值计算方法。
本发明首先利用双曲正切函数奇对称性质根据自变量正数域函数值的负值等效负数域函数值、再基于分段多项式拟合思想计算各子段函数值，最后根据不同子段最大值归一化后计算各子段各阶定点多项式乘法以避免定点乘法越界，并最终获得所有用户发送信号数学期望拟合值，所述多段定点多项式拟合算法不仅比特精度高，而且便于DSP/FPGA实现；综上所述本发明不仅可以避免定点乘法过程越界问题，而且确保了算法比特精度。
附图说明
图1传统IDMA发送和接收系统原理图；
图2本发明一种IDMA系统发送信号均值计算方法流程图；
图3本发明方法发送信号均值近似值与理论值对比图；
图4本发明方法发送信号均值近似值与理论值之间绝对误差；
图5本发明方法发送信号均值近似值与理论值之间相对误差。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种IDMA系统发送信号均值计算方法，根据信道译码并再次交织后信息
Figure BDA0003480354200000051
的值分别计算发送信号均值，包括：
当
Figure BDA0003480354200000052
时，发送信号均值恒为数值1，即
Figure BDA0003480354200000053
当
Figure BDA0003480354200000054
取值范围内时，对信号进行分段，分别计算每段发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000055
当
Figure BDA0003480354200000056
时，发送信号均值表示为：
Figure BDA0003480354200000057
其中，|·|表示取绝对值；s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数；
Figure BDA0003480354200000058
表示当
Figure BDA0003480354200000059
求得的发送信号均值；E(xk(j))表示
Figure BDA00034803542000000510
求得的发送信号均值，其值为
Figure BDA00034803542000000511
求得的发送信号均值的负数。参数S、N通常根据发送信号均值与理论值之间误差，由Matlab Cftool多项式拟合工具箱计算，取值越大，误差越小，但算法复杂度越高；在参数S、N仿真确定前提下，采用Matlab Cftool多项式拟合工具箱计算第s子段、第n阶多项式系数ζs,n。
本实施例根据信道译码并再次交织后信息
Figure BDA00034803542000000512
范围，具体包括以下步骤：
步骤1：当
Figure BDA0003480354200000061
时，发送信号均值恒为数值1，即
Figure BDA0003480354200000062
步骤2：当
Figure BDA0003480354200000063
取值范围内时，对信号进行分段，分别计算每段发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000064
步骤3：当
Figure BDA0003480354200000065
时，发送信号均值表示为：
Figure BDA0003480354200000066
其中，|·|表示取绝对值；s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数；
Figure BDA0003480354200000067
表示当
Figure BDA0003480354200000068
求得的发送信号均值；E(xk(j))表示
Figure BDA0003480354200000069
求得的发送信号均值，其值为
Figure BDA00034803542000000610
求得的发送信号均值的负数。
优选地，为便于DSP/FPGA硬件实现，同时避免乘法过程越界问题，可以采用下式进行计算：
Figure BDA00034803542000000611
其中，(·)s,max表示在s子段内函数最大值，M表示二进制比特精度，
Figure BDA00034803542000000612
表示向下取整。公式(4)多项式乘法次序为，首先当前子段所有数据除以当前子段最大值，并进行定点指数运算，并保留M比特位；其次，当前子段最大值进行指数运算并与当前子段相应系数进行乘法运算；上述两个乘法结果再进行乘法运算得到当前子段当前阶乘法结果。
可选地，公式(4)多项式乘法次序为，首先当前子段所有数据除以当前子段最大值，并进行指数运算，并保留M比特位；其次，当前子段最大值进行指数运算并与前一结果进行乘法运算；当前乘法结果与当前子段相应系数相乘到当前子段当前阶乘法结果；当前子段所有阶乘法结果累加后并向下取整后得到最终定点发送信号均值E(xk(j))。
本实施例还提供一种更具体的实施方式，如图1所示，传统IDMA发送和接收端系统中，在总用户数K＝24，各用户发送信号长度J＝1024，信道编码方式采用1/2卷积编码，交织方式采用随机交织，无线信道采用方差为σ2＝N0/2的加性高斯白噪声情况下，对第k个用户第j个发送数据均值E(xk(j))进行计算过程进行详细说明。因为信道译码并再次交织后信息
Figure BDA0003480354200000071
在每次计算过程中取值是随机分布的，为了便于过程描述，下面根据
Figure BDA0003480354200000072
的取值范围进行分别计算。
步骤1：当
Figure BDA0003480354200000073
时，发送信号均值恒为数值1，即
Figure BDA0003480354200000074
步骤2：当
Figure BDA0003480354200000075
取值范围内时，对信号进行分段，分别计算每段发送信号均值，表示为：
Figure BDA0003480354200000076
在
Figure BDA0003480354200000077
取值范围内，再细分为3个子段，即
Figure BDA0003480354200000078
Figure BDA0003480354200000079
则s＝3，每个子段的最大值(·)s,max分别为0.1，2，4。采用matlab cftool工具箱，当前拟合数据的平均相对误差率在1％以内，时，拟合3阶多项式系数ζs,n，则每段发送信号均值经化简后表示为：
Figure BDA00034803542000000710
优选地，为便于DSP/FPGA硬件实现，同时避免乘法过程越界问题，在二进制比特精度M＝16时，可以采用下式进行计算：
Figure BDA0003480354200000081
其中，(·)s,max表示在s子段内函数最大值，M＝16表示二进制比特精度，
Figure BDA0003480354200000082
表示向下取整。上式多项式乘法次序为，首先当前子段所有数据除以当前子段最大值，并进行定点指数运算，并保留16比特位；其次，当前子段最大值进行指数运算并与当前子段相应系数进行乘法运算；上述两个乘法结果再进行乘法运算得到当前子段当前阶乘法结果。
可选地，上式多项式乘法次序为，首先当前子段所有数据除以当前子段最大值，并进行指数运算，并保留16比特位；其次，当前子段最大值进行指数运算并与前一结果进行乘法运算；当前乘法结果与当前子段相应系数相乘到当前子段当前阶乘法结果；当前子段所有阶乘法结果累加后并向下取整后得到最终定点发送信号均值E(xk(j))。
步骤3：当
Figure BDA0003480354200000083
时，发送信号均值表示为：
Figure BDA0003480354200000084
其中，
Figure BDA0003480354200000085
表示当
Figure BDA0003480354200000086
求得的发送信号均值；E(xk(j))表示
Figure BDA0003480354200000087
求得的发送信号均值，其值为
Figure BDA0003480354200000088
求得的发送信号均值的负数。
图3给出了本发明方法发送信号均值近似值与理论值对比图，可以看出，本发明方法得到的发送信号均值在0至6取值范围可以很好得吻合理论值。图4给出了本发明方法发送信号均值近似值与理论值之间绝对误差，由于最大值为数值1，因此两者之间的最大绝对误差没有超过0.0071，两者之间的误差已经足够小了。图5给出了本发明方法发送信号均值近似值与理论值之间相对误差，可以看出，两者之间的最大绝对误差没有超过0.12。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种IDMA系统发送信号均值计算方法，其特征在于，根据信道译码并再次交织后信息
Figure FDA0003480354190000011
的值分别计算发送信号均值，包括：
当
Figure FDA0003480354190000012
时，发送信号均值恒为数值1，即
Figure FDA0003480354190000013
当
Figure FDA0003480354190000014
取值范围内时，对信号进行分段，分别计算每段发送信号均值，表示为：
Figure FDA0003480354190000015
当
Figure FDA0003480354190000016
时，发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000017
其中，|·|表示取绝对值；s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数；
Figure FDA0003480354190000018
表示当
Figure FDA0003480354190000019
求得的发送信号均值；E(xk(j))表示
Figure FDA00034803541900000110
求得的发送信号均值，其值为
Figure FDA00034803541900000111
求得的发送信号均值的负数。
2.根据权利要求1所述的一种IDMA系统发送信号均值计算方法，其特征在于，当比特精度为M时，
Figure FDA00034803541900000112
取值范围的发送信号均值为每个子段乘法结果之和的向上取整，每个子段的乘法结果为当前子段左右数据除以当前子段最大值后进行顶点指数运算并保留M比特位的值，与当前子段最大值进行指数运算并与当前子段相应系数进行乘法得到的值的乘积。
3.根据权利要求2所述的一种IDMA系统发送信号均值计算方法，其特征在于，当比特精度为M时，
Figure FDA00034803541900000113
取值范围内第s个子段的发送信号均值表示为：
Figure FDA00034803541900000114
其中，(·)s,max表示在s子段内函数最大值。
4.根据权利要求1所述的一种IDMA系统发送信号均值计算方法，其特征在于，将在
Figure FDA0003480354190000021
取值范围细分为3个子段，3个子段分别为
Figure FDA0003480354190000022
若当前拟合数据的平均相对误差率在1％以内，则每段发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000023
5.根据权利要求4所述的一种IDMA系统发送信号均值计算方法，其特征在于，在二进制比特精度M＝16时，
Figure FDA0003480354190000024
取值范围内3个子段每段发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000025
其中，
Figure FDA0003480354190000026
表示向下取整。
6.一种IDMA系统发送信号均值计算系统，其特征在于，所述系统包括第一判断器、双曲正切函数计算器、第二判断器以及分段计算器，其中第一判断器根据信道译码并再次交织后信息
Figure FDA0003480354190000027
的值判断如何计算发送信号均值，若
Figure FDA0003480354190000028
则利用双曲正切函数计算器计算发送信号均值，表示为：
Figure FDA0003480354190000029
若
Figure FDA00034803541900000210
发送信号均值恒为数值1，即E(xk(j))＝1；若
Figure FDA0003480354190000031
则采用分段计算器计算发送信号均值，表示为：
Figure FDA0003480354190000032
其中，s＝1,2,...,S表示子段，S表示对信号划分的段数；ζs,n表示第s子段、第n阶多项式系数，n＝1,2,...,N，N表示多项式的最大阶数。
7.根据权利要求6所述的一种IDMA系统发送信号均值计算系统，其特征在于，当比特精度为M时，
Figure FDA0003480354190000033
取值范围内，第s子段发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000034
其中，(·)s,max表示在s子段内函数最大值。
8.根据权利要求6所述的一种IDMA系统发送信号均值计算系统，其特征在于，将在
Figure DEST_PATH_BDA0003480354200000077
取值范围细分为3个子段，3个子段分别为
Figure FDA0003480354190000036
若当前拟合数据的平均相对误差率在1％以内，则每段发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000037
9.根据权利要求8所述的一种IDMA系统发送信号均值计算系统，其特征在于，在二进制比特精度M＝16时，
Figure FDA0003480354190000038
取值范围内3个子段每段发送信号均值表示为：
Figure FDA0003480354190000041
其中，
Figure FDA0003480354190000042
表示向下取整。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器存储有计算机程序，处理器运行存储在存储器中的计算机程序以实现权利要求1～5所述的任意一种IDMA系统发送信号均值计算方法。
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